Peptidová väzba je svojou chemickou povahou kovalentná a primárnej štruktúre proteínovej molekuly dodáva vysokú pevnosť. Keďže je peptidová väzba opakujúcim sa prvkom polypeptidového reťazca a má špecifické štruktúrne vlastnosti, ovplyvňuje nielen tvar primárnej štruktúry, ale aj vyššie úrovne organizácie polypeptidového reťazca.
L. Pauling a R. Corey výrazne prispeli k štúdiu štruktúry proteínovej molekuly. Keď si všimli, že proteínová molekula obsahuje najviac peptidových väzieb, ako prví vykonali starostlivé röntgenové štúdie tejto väzby. Študovali sme dĺžky väzieb, uhly, v ktorých sú atómy umiestnené, a smer atómov vzhľadom na väzbu. Na základe výskumu boli stanovené nasledujúce hlavné charakteristiky peptidovej väzby.
1. Štyri atómy peptidovej väzby (C, O, N, H) a dva pripojené
a-atómy uhlíka ležia v rovnakej rovine. Skupiny R a H atómov uhlíka a-ležia mimo tejto roviny.
2. Atómy O a H peptidovej väzby a dva atómy uhlíka a, ako aj R-skupiny majú trans orientáciu vzhľadom na peptidovú väzbu.
3. Dĺžka väzby C–N, ktorá sa rovná 1,32 Á, je stredná medzi dĺžkou dvojitej kovalentnej väzby (1,21 Á) a jednoduchej kovalentnej väzby (1,47 Á). Z toho vyplýva, že väzba C–N je čiastočne nenasýtená. To vytvára predpoklady na to, aby na dvojitej väzbe nastali tautomérne prešmyky s tvorbou enolovej formy, t.j. peptidová väzba môže existovať vo forme keto-enolu.
Rotácia okolo väzby –C=N– je náročná a všetky atómy zahrnuté v peptidovej skupine majú planárnu trans konfiguráciu. Konfigurácia cis je energeticky menej priaznivá a nachádza sa len v niektorých cyklických peptidoch. Každý planárny peptidový fragment obsahuje dve väzby s a-atómami uhlíka schopnými rotácie.
Existuje veľmi úzka súvislosť medzi primárnou štruktúrou proteínu a jeho funkciou v danom organizme. Na to, aby proteín mohol vykonávať svoju inherentnú funkciu, je potrebná veľmi špecifická sekvencia aminokyselín v polypeptidovom reťazci tohto proteínu. Táto špecifická sekvencia aminokyselín, kvalitatívne a kvantitatívne zloženie je fixovaná geneticky (DNA→RNA→proteín). Každý proteín je charakterizovaný špecifickou sekvenciou aminokyselín; nahradenie aspoň jednej aminokyseliny v proteíne vedie nielen k štrukturálnym preskupeniam, ale aj k zmenám fyzikálno-chemických vlastností a biologických funkcií. Existujúca primárna štruktúra predurčuje následné (sekundárne, terciárne, kvartérne) štruktúry. Napríklad červené krvinky zdravých ľudí obsahujú proteín nazývaný hemoglobín s určitým poradím aminokyselín. Malá časť ľudí má vrodenú abnormalitu v štruktúre hemoglobínu: ich červené krvinky obsahujú hemoglobín, ktorý v jednej polohe obsahuje aminokyselinu valín (hydrofóbny, nepolárny) namiesto kyseliny glutámovej (nabitý, polárny). Takýto hemoglobín sa výrazne líši vo fyzikálno-chemických a biologických vlastnostiach od normálneho. Výskyt hydrofóbnej aminokyseliny vedie k vzniku „lepkavého“ hydrofóbneho kontaktu (červené krvinky sa v cievach nepohybujú dobre), k zmene tvaru červených krviniek (z bikonkávneho na tvar polmesiaca) , ako aj k zhoršeniu prenosu kyslíka atď. Deti narodené s touto anomáliou zomierajú v ranom detstve na kosáčikovitú anémiu.
Komplexné dôkazy v prospech tvrdenia, že biologická aktivita je určená sekvenciou aminokyselín, sa získali po umelej syntéze enzýmu ribonukleázy (Merrifield). Syntetizovaný polypeptid s rovnakou sekvenciou aminokyselín ako prirodzený enzým mal rovnakú enzymatickú aktivitu.
Výskumy posledných desaťročí ukázali, že primárna štruktúra je fixovaná geneticky, t.j. sekvencia aminokyselín v polypeptidovom reťazci je určená genetickým kódom DNA a následne určuje sekundárne, terciárne a kvartérne štruktúry molekuly proteínu a jej všeobecnú konformáciu. Prvým proteínom, ktorého primárna štruktúra bola stanovená, bol proteínový hormón inzulín (obsahuje 51 aminokyselín). Toto urobil v roku 1953 Frederick Sanger. K dnešnému dňu sa podarilo rozlúštiť primárnu štruktúru viac ako desaťtisíc proteínov, čo je však veľmi malý počet, ak vezmeme do úvahy, že v prírode je približne 10 12 proteínov. V dôsledku voľnej rotácie sa polypeptidové reťazce dokážu skrútiť (skladať) do rôznych štruktúr.
Sekundárna štruktúra. Sekundárna štruktúra molekuly proteínu sa týka spôsobu, akým je polypeptidový reťazec usporiadaný v priestore. Sekundárna štruktúra molekuly proteínu sa vytvára ako výsledok jedného alebo druhého typu voľnej rotácie okolo väzieb spájajúcich atómy uhlíka v polypeptidovom reťazci V dôsledku tejto voľnej rotácie sa polypeptidové reťazce môžu skrútiť (skladať). v priestore do rôznych štruktúr.
V prirodzených polypeptidových reťazcoch sa nachádzajú tri hlavné typy štruktúry:
- a-helix;
- β-štruktúra (skladaný list);
- štatistická spleť.
Za najpravdepodobnejší typ štruktúry globulárnych proteínov sa považuje a-helix Krútenie sa vyskytuje v smere hodinových ručičiek (pravotočivá špirála), čo je spôsobené zložením L-aminokyselín v prírodných proteínoch. Hnacia sila pri vzniku a-helixy je schopnosť aminokyselín vytvárať vodíkové väzby. Aminokyselinové skupiny R smerujú smerom von zo stredovej osi a-helixy. dipóly >C=O a >N–H susedných peptidových väzieb sú orientované optimálne pre dipólovú interakciu, čím vytvárajú rozsiahly systém intramolekulárnych kooperatívnych vodíkových väzieb, ktoré stabilizujú a-helix.
Stúpanie špirály (jedna celá otáčka) 5,4 Á obsahuje 3,6 aminokyselinových zvyškov.
Obrázok 2 – Štruktúra a parametre a-helixu proteínu
Každý proteín je charakterizovaný určitým stupňom helicity svojho polypeptidového reťazca
Špirálovú štruktúru môžu narušiť dva faktory:
1) prítomnosť prolínového zvyšku v reťazci, ktorého cyklická štruktúra spôsobuje prerušenie polypeptidového reťazca - neexistuje skupina –NH2, preto nie je možné vytvoriť vnútroreťazcovú vodíkovú väzbu;
2) ak je v polypeptidovom reťazci veľa aminokyselinových zvyškov v rade, ktoré majú kladný náboj (lyzín, arginín) alebo záporný náboj (kyseliny glutámová, asparágové), v tomto prípade silné vzájomné odpudzovanie podobne nabitých skupín (– COO– alebo –NH 3 +) výrazne prevyšuje stabilizačný vplyv vodíkových väzieb v a-helixy.
Iný typ konfigurácie polypeptidového reťazca nachádzajúci sa vo vlasoch, hodvábe, svaloch a iných fibrilárnych proteínoch je tzv β-štruktúry alebo skladaný list. Skladaná štruktúra listu je tiež stabilizovaná vodíkovými väzbami medzi rovnakými dipólmi –NH...... O=C<. Однако в этом случае возникает совершенно иная структура, при которой остов полипептидной цепи вытянут таким образом, что имеет зигзагообразную структуру. Складчатые участки полипептидной цепи проявляют кооперативные свойства, т.е. стремятся расположиться рядом в белковой молекуле, и формируют параллельные
polypeptidové reťazce, ktoré sú identicky nasmerované alebo antiparalelné,
ktoré sú zosilnené vďaka vodíkovým väzbám medzi týmito reťazcami. Takéto štruktúry sa nazývajú b-skladané listy (obrázok 2).
Obrázok 3 – b-štruktúra polypeptidových reťazcov
a-Helix a zložené listy sú usporiadané štruktúry, majú pravidelné usporiadanie aminokyselinových zvyškov v priestore. Niektoré oblasti polypeptidového reťazca nemajú žiadnu pravidelnú periodickú priestorovú organizáciu, sú označené ako neusporiadané alebo štatistická spleť.
Všetky tieto štruktúry vznikajú spontánne a automaticky vďaka tomu, že daný polypeptid má určitú sekvenciu aminokyselín, ktorá je geneticky predurčená. a-helixy a b-štruktúry určujú určitú schopnosť proteínov vykonávať špecifické biologické funkcie. A-helikálna štruktúra (a-keratín) je teda dobre prispôsobená na vytváranie vonkajších ochranných štruktúr - perie, vlasy, rohy, kopytá. B-štruktúra podporuje tvorbu pružných a neroztiahnuteľných hodvábnych a sieťových nití a kolagénová proteínová konformácia poskytuje vysokú pevnosť v ťahu potrebnú pre šľachy. Prítomnosť iba a-helixov alebo b-štruktúr je charakteristická pre filamentózne (fibrilárne) proteíny. V zložení globulárnych (sférických) proteínov sa obsah a-helixov a b-štruktúr a bezštruktúrnych oblastí veľmi líši. Napríklad: inzulín je špirálovitý 60%, enzým ribonukleáza - 57%, proteín z kuracieho vajca lyzozým - 40%.
Terciárna štruktúra. Terciárna štruktúra označuje spôsob, akým je polypeptidový reťazec usporiadaný v priestore v určitom objeme.
Terciárna štruktúra proteínov je tvorená dodatočným skladaním peptidového reťazca obsahujúceho a-helix, b-štruktúry a oblasti náhodného zvitku. Terciárna štruktúra proteínu sa vytvára úplne automaticky, spontánne a úplne vopred určená primárnou štruktúrou a priamo súvisí s tvarom molekuly proteínu, ktorý môže byť rôzny: od guľovitého až po vláknitý. Tvar molekuly proteínu je charakterizovaný takým indikátorom, ako je stupeň asymetrie (pomer dlhej osi ku krátkej). U fibrilárne alebo vláknité bielkoviny, stupeň asymetrie je väčší ako 80. So stupňom asymetrie menším ako 80 sa bielkoviny klasifikujú ako guľovitý. Väčšina z nich má stupeň asymetrie 3-5, t.j. terciárna štruktúra je charakterizovaná pomerne hustým zbalením polypeptidového reťazca, blížiacemu sa tvaru gule.
Počas tvorby globulárnych proteínov sa v molekule proteínu zoskupujú nepolárne hydrofóbne aminokyselinové radikály, zatiaľ čo polárne radikály sú orientované smerom k vode. V určitom bode sa objaví termodynamicky najpriaznivejšia stabilná konformácia molekuly, globula. V tejto forme sa molekula proteínu vyznačuje minimálnou voľnou energiou. Konformáciu výslednej globule ovplyvňujú faktory ako pH roztoku, iónová sila roztoku, ako aj interakcia molekúl proteínov s inými látkami.
Hlavnou hnacou silou pri vzniku trojrozmernej štruktúry je interakcia radikálov aminokyselín s molekulami vody.
Fibrilárne proteíny. Pri tvorbe terciárnej štruktúry netvoria globule – ich polypeptidové reťazce sa neskladajú, ale zostávajú predĺžené vo forme lineárnych reťazcov, zoskupujúcich sa do fibrilových vlákien.
Kreslenie – Štruktúra kolagénových vlákien (fragment).
Nedávno sa objavili dôkazy, že proces tvorby terciárnej štruktúry nie je automatický, ale je regulovaný a riadený špeciálnymi molekulárnymi mechanizmami. Tento proces zahŕňa špecifické proteíny - chaperóny. Ich hlavnou funkciou je schopnosť zabrániť tvorbe nešpecifických (chaotických) náhodných zvitkov z polypeptidového reťazca a zabezpečiť ich dodanie (transport) do subcelulárnych cieľov, čím sa vytvárajú podmienky na dokončenie poskladania proteínovej molekuly.
Stabilizácia terciárnej štruktúry je zabezpečená vďaka nekovalentným interakciám medzi atómovými skupinami vedľajších radikálov.
Obrázok 4 - Typy väzieb, ktoré stabilizujú terciárnu štruktúru proteínu
A) elektrostatické sily príťažlivosť medzi radikálmi nesúcimi opačne nabité iónové skupiny (interakcie ión-ión), napríklad negatívne nabitá karboxylová skupina (– COO –) kyseliny asparágovej a (NH3+) kladne nabitá e-aminoskupina lyzínového zvyšku.
b) vodíkové väzby medzi funkčnými skupinami bočných radikálov. Napríklad medzi OH skupinou tyrozínu a karboxylovým kyslíkom kyseliny asparágovej
V) hydrofóbne interakcie sú spôsobené van der Waalsovými silami medzi nepolárnymi aminokyselinovými radikálmi. (Napríklad v skupinách
–CH 3 – alanín, valín atď.
G) dipól-dipólové interakcie
d) disulfidové väzby(–S–S–) medzi cysteínovými zvyškami. Táto väzba je veľmi silná a nie je prítomná vo všetkých proteínoch. Toto spojenie hrá dôležitú úlohu v bielkovinových látkach obilia a múky, pretože ovplyvňuje kvalitu lepku, štrukturálne a mechanické vlastnosti cesta a podľa toho aj kvalitu hotového výrobku – chleba a pod.
Proteínová globula nie je absolútne tuhá štruktúra: v určitých medziach sú možné reverzibilné pohyby častí peptidového reťazca voči sebe navzájom s prerušením malého počtu slabých väzieb a vytvorením nových. Zdá sa, že molekula dýcha, pulzuje vo svojich rôznych častiach. Tieto pulzácie nenarúšajú základný konformačný plán molekuly, rovnako ako tepelné vibrácie atómov v kryštáli nemenia štruktúru kryštálu, ak teplota nie je taká vysoká, že dochádza k topeniu.
Až potom, čo molekula proteínu získa prirodzenú, natívnu terciárnu štruktúru, vykazuje svoju špecifickú funkčnú aktivitu: katalytickú, hormonálnu, antigénnu atď. Práve pri tvorbe terciárnej štruktúry dochádza k tvorbe aktívnych centier enzýmov, centier zodpovedných za integráciu proteínov do multienzýmového komplexu, centier zodpovedných za samozostavovanie supramolekulárnych štruktúr. Akékoľvek účinky (tepelné, fyzikálne, mechanické, chemické) vedúce k deštrukcii tejto prirodzenej konformácie proteínu (pretrhnutie väzieb) sú preto sprevádzané čiastočnou alebo úplnou stratou biologických vlastností proteínu.
Štúdium kompletných chemických štruktúr niektorých proteínov ukázalo, že v ich terciárnej štruktúre sú identifikované zóny, kde sú koncentrované hydrofóbne aminokyselinové radikály a polypeptidový reťazec je v skutočnosti obalený okolo hydrofóbneho jadra. Navyše v niektorých prípadoch sú v molekule proteínu oddelené dve alebo dokonca tri hydrofóbne jadrá, čo vedie k 2- alebo 3-jadrovej štruktúre. Tento typ molekulárnej štruktúry je charakteristický pre mnohé proteíny, ktoré majú katalytickú funkciu (ribonukleáza, lyzozým atď.). Samostatná časť alebo oblasť molekuly proteínu, ktorá má určitý stupeň štrukturálnej a funkčnej autonómie, sa nazýva doména. Napríklad množstvo enzýmov má oddelené domény viažuce substrát a koenzým viažuce domény.
Biologicky hrajú fibrilárne proteíny veľmi dôležitú úlohu súvisiacu s anatómiou a fyziológiou zvierat. U stavovcov tvoria tieto bielkoviny 1/3 ich celkového obsahu. Príkladom fibrilárnych proteínov je hodvábny proteín fibroín, ktorý pozostáva z niekoľkých antiparalelných reťazcov so štruktúrou skladaného listu. Proteín a-keratín obsahuje 3-7 reťazcov. Kolagén má zložitú štruktúru, v ktorej sú 3 rovnaké ľavotočivé reťazce skrútené dohromady a vytvárajú pravotočivú trojitú špirálu. Táto trojitá špirála je stabilizovaná mnohými medzimolekulovými vodíkovými väzbami. Prítomnosť aminokyselín ako hydroxyprolín a hydroxylyzín tiež prispieva k tvorbe vodíkových väzieb, ktoré stabilizujú štruktúru trojitej špirály. Všetky fibrilárne proteíny sú zle rozpustné alebo úplne nerozpustné vo vode, pretože obsahujú veľa aminokyselín obsahujúcich hydrofóbne, vo vode nerozpustné R-skupiny izoleucín, fenylalanín, valín, alanín, metionín. Po špeciálnom spracovaní sa nerozpustný a nestráviteľný kolagén premení na zmes polypeptidov rozpustných v želatíne, ktorá sa následne používa v potravinárskom priemysle.
Globulárne proteíny. Vykonávať rôzne biologické funkcie. Plnia dopravnú funkciu, t.j. transport živín, anorganických iónov, lipidov atď. Hormóny, ako aj zložky membrán a ribozómov, patria do rovnakej triedy proteínov. Všetky enzýmy sú tiež globulárne proteíny.
Kvartérna štruktúra. Proteíny obsahujúce dva alebo viac polypeptidových reťazcov sa nazývajú oligomérne proteíny, vyznačujú sa prítomnosťou kvartérnej štruktúry.
Obrázok - Schémy terciárnych (a) a kvartérnych (b) proteínových štruktúr
V oligomérnych proteínoch je každý z polypeptidových reťazcov charakterizovaný svojou primárnou, sekundárnou a terciárnou štruktúrou a nazýva sa podjednotka alebo protomér. Polypeptidové reťazce (protoméry) v takýchto proteínoch môžu byť rovnaké alebo rôzne. Oligomérne proteíny sa nazývajú homogénne, ak sú ich protoméry rovnaké, a heterogénne, ak sú ich protoméry odlišné. Napríklad proteín hemoglobín pozostáva zo 4 reťazcov: dvoch protomérov -a a dvoch -b. Enzým a-amyláza pozostáva z 2 identických polypeptidových reťazcov. Kvartérna štruktúra označuje usporiadanie polypeptidových reťazcov (protomérov) voči sebe navzájom, t.j. spôsob ich spoločného stohovania a balenia. V tomto prípade protoméry navzájom neinteragujú s akoukoľvek časťou svojho povrchu, ale s určitou oblasťou (kontaktnou plochou). Kontaktné povrchy majú také usporiadanie atómových skupín, medzi ktorými vznikajú vodíkové, iónové a hydrofóbne väzby. Okrem toho geometria protomérov tiež uprednostňuje ich spojenie. Protoméri do seba zapadajú ako kľúč k zámku. Takéto povrchy sa nazývajú komplementárne. Každý protomér interaguje s druhým vo viacerých bodoch, čo znemožňuje spojenie s inými polypeptidovými reťazcami alebo proteínmi. Takéto komplementárne interakcie molekúl sú základom všetkých biochemických procesov v tele.
